在役鋼筋混凝土雙曲拱橋動力測試和有限元分析

趙海

【摘 要】通過動力測試和有限元理論分析對役鋼筋混凝土雙曲拱橋受力性能進行評估，是評價橋梁在動荷載作用下承載能力的一種重要的評價手段。通過動荷載試驗以及結構固有模態參數的實橋測試，了解橋跨結構的動力特性，以及各控制部位在使用荷載下的動力性能，為該橋進一步運營的養護管理提供必要的數據和資料。

【關鍵詞】動力測試；有限元分析；雙曲拱橋；動力特性

0 前言

橋梁結構的動力特性，如固有頻率、阻尼系數和振型等，只與結構本身的固有性質有關，是結構振動系統的基本特征。橋梁動載試驗就是要從大量的實測數據信號中，了解結構自身的動力特性以及結構抵抗受迫振動和突發荷載作用的能力，綜合評價橋梁結構的動力特性 及動力響應。揭示橋梁結構振動的內在規律，以判斷結構的實際工作狀態，同時也為使用階段結構評估積累原始數據。

1 工程概況

少寨大橋始建于上世紀八十年代，橋梁形式為雙曲拱橋，主跨60m，橋面寬8m，現場調查后得知該橋于上世紀九十年代末進行了維修加固。由于缺少設計圖紙及資料，橋梁細部尺寸、材料特性通過現場實測的方式獲得。該橋全橋長78.0m，主跨為1×60m鋼筋混凝土雙曲拱橋，矢高為7.5m，橋梁結構矢跨比為1：8。拱肋由5片鋼筋混凝土拱肋組成，并通過橫向系梁連接，其中拱肋為“凸”字形，高約100cm，寬35cm；橫向系梁高50cm，寬35cm；立墻厚100cm，寬250cm。

橋面寬8.0m，橫向布置為0.25m（護欄）+7.5m（車行道）+0.25m（護欄），橋面鋪裝為拱頂填料+瀝青混凝土面層，其最小厚度為0.9m。

設計荷載：由于缺少必要的設計資料，通過現場走訪得知該橋修建于上世紀80年代，根據當時我國橋梁設計規范《公路橋涵設計通用規范》（JTJ 021-85）推算該橋設計荷載為：汽車-20級；驗算荷載：掛-100級。

2 動力荷載試驗的內容

1）脈動法測定橋梁結構的自振特性，包括結構的自振頻率、振型、阻尼比。

脈動試驗是利用橋梁在各種隨機環境激勵（包括地脈動、風等）下引起的振動響應，采集響應信號，通過頻譜分析得到橋梁結構的固有振動特性，比如固有頻率、振型、阻尼比，為橋梁的動力響應分析提供參數。

2）測定各種車速跑車時橋跨結構的沖擊系數。

跑車試驗是讓車輛以一定的車速從橋面駛過，引起橋梁的振動，通過采集橋梁結構的動撓度，分析橋跨結構的動力放大系數，從而得到沖擊系數。

3 有限元建模與分析

依據現場對少寨大橋各構件尺寸的實際量測，采用梁格理論對該橋建立有限元模型，其中拱肋和橫向系梁立墻采用空間桿單元模擬，橋面板及拱波采用空間厚板單元模擬，其有限元模型如圖2所示。

通過有限元計算出少寨大橋各階振型及頻率見圖3～圖5。

4 現場動力測試及結果

1）試驗設備與測點布置

結構振動測試使用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的5920動態采集分析系統，其中在跨中、L/4截面處分別布置2個拾振器。

2）頻譜分析

圖6為脈動測試信號，通過對其進行傅里葉分析后得到結構的振動頻率。結構豎向一階頻率為4.06Hz，其頻譜分析圖見圖7，結果見表1。

結構振動測試使用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的5920動態采集分析系統，其中在跨中、L/4截面處分別布置2個拾振器。圖8～圖11為不同車速工況下跑車時程曲線。

3）汽車動載沖擊系數測定

結構動撓度采集采用北京光電技術研究所生產光電形變監測系統，橋梁動撓度測試的測點布置在跨中截面。

動力荷載作用于結構上產生的動撓度，一般較同樣的靜荷載所產生的相應靜撓度要大，動撓度與靜撓度的比值稱為活荷載的沖擊系數。由于撓度反映了橋跨結構的整體變形，是衡量結構剛度的主要指標，因此活載沖擊系數綜合反映了荷載對橋梁的動力作用。它與結構的型式、車輛運行速度和橋面的平整度等有關。

為了測定沖擊系數，利用所測撓度時程曲線，根據定義可得沖擊系數的大小。按沖擊系數的定義有：

沖擊系數的大小與車速、路面平整度狀況、測點布設位置、試驗工況等諸多因素都有一定的關系，圖12～圖16為不同車速工況下跑車位移時程曲線，其各工況最大動位移及沖擊系數見表3。

跑車試驗中，在各種測試車速下最大沖擊系數1.122，理論跨中沖擊系數1.209，該橋實際沖擊作用較小，隨未超過理論值，但對結構仍造成較大的沖擊，橋面系不平整是造成現象的主要原因；當車速為10km/h過車時，沖擊系數僅為1.007，可見車輛慢速行駛可顯著降低對橋梁結構的沖擊。

5 結論

1）理論計算豎向頻率值為3.55Hz，豎向頻率值為4.03，實測橋梁基頻大于橋梁理論頻率，說明橋梁結構的實際剛度大于理論剛度。

2）實測橋梁結構阻尼比0.024，通常橋梁結構的阻尼比在0.01～0.10之間，該橋結構阻尼比正常，表明橋梁結構傳遞振動能力較好，橋梁整體結構較為完好。

3）根據沖擊系數的實測值來評價橋梁結構的行車性能：當車速小于等于10km/h時，沖擊系數僅為1.007；而當車速大于等于10km/h時，沖擊系數顯著增大，但未超出理論沖擊系數，說明橋梁結構的行車性能尚好。

【參考文獻】

[1]宋一凡.公路橋梁荷載試驗與結構評定[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]劉自明.橋梁工程檢測手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]王根會.橋梁檢測與維修加固[M].蘭州：蘭州大學出版社，2004.

[4]《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）[M].

[5]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[M].

[責任編輯：田吉捷]